CN111231691B - 用于电动斥力型磁浮轨道的自导直线推进构造的悬浮力扰动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动斥力型磁浮轨道系统的自导直线推进构造及其悬浮力扰动控制方法，其直线推进系统为自导向直线推进装置(5)，自导向直线推进装置为空芯直线永磁同步电机，沿混凝土轨道(6)延伸方向预埋若干有源零磁通线圈链(8)作为其定子；直线型永磁Halbach阵列(7)刚性连接在悬浮转向架(2)的正下方作为其动子。本发明可使磁浮列车在不加装额外设备的情况下同时实现驱动与导向。当列车运行达到起浮速度后直线电机通过实时调整定子轨道线圈链中直轴电流Id来消除列车由于横向偏移带来垂向悬浮力扰动。本发明具有结构简单，能耗低，导向刚度大和低速运行下不增加多余悬浮扰动等优点，适用于高速以及中速磁浮轨道交通系统。

Description

用于电动斥力型磁浮轨道的自导直线推进构造的悬浮力扰动 控制方法

技术领域

本发明涉及常导电动斥力型磁浮交通领域，具体涉及其驱动部分，空芯永磁同步直线推进装置以及其控制方法。

背景技术

随着高速铁路和城市轨道交通的快速发展，轨道交通的多样性开始受到越来越多的关注，其中磁浮轨道交通技术在运行速度、爬坡能力、转弯半径、静噪等方面存在的诸多优势使其在众多新型轨道交通方式中脱颖而出。

空芯永磁直线同步动机驱动是磁浮轨道交通系统中列车推进方案的一种，其具有结构简单，效率高，磁阻力与脉动力小的优点，通常作为电动斥力型磁浮系统的推进装置。电动斥力型悬浮是一种利用励磁源和导体涡流之间的相互作用力进行悬浮的方案，系统本身具有悬浮自稳定的特性，非常适合用于中高速磁浮交通系统当中，美国Magplane磁浮列车就是板式电动悬浮方案的典型代表。但是，板式电动悬浮通常无法完成自导向，只能通过倾斜导体板或者加装机械装置等手段使列车在运行过程中完成导向，两种方案的前者会损失电动悬浮力，增大功耗；后者则使磁悬浮本身失去意义。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种具有自导向功能的空芯永磁同步推进装置，旨在解决板式电动斥力型悬浮系统中导向装置存在静态功耗的问题。本发明利用零磁通线圈式电动斥力悬浮的原理，将有源零磁通线圈作为定子铺设在轨道上，将永磁Halbach阵列作为动子安装在磁浮列车上，二者构成了具有自导向功能的空芯永磁直线同步电动机。有源零磁通线圈的采用可以使列车在起浮后的运行过程中，一旦出现偏离轨道的情况时能够产生足够的导向力使列车回到轨道中心。这种具有自导向功能的永磁直线同步推进系统集合了空芯同步电动机的驱动与零磁通线圈导向两种功能，且两种功能具有自解耦特性，互不影响，理论上可以适用于中高速范围的磁浮轨道交通系统。其具体手段如下：

一种用于电动斥力型磁浮轨道的自导直线推进构造，包括车体1，悬浮转向架2，板式电动斥力式悬浮装置3，支撑轮4，混凝土轨道6以及直线推进系统。所述板式电动斥力式悬浮装置3由励磁部分3A和反应板部分3B组成，其中的励磁部分3A安装在转向架2上，反应板部分3B安装在混凝土轨道6中。所述直线推进系统为自导向直线推进装置5，自导向直线推进装置为空芯直线永磁同步电机：沿混凝土轨道6延伸方向预埋若干有源零磁通线圈(8)作为其定子，直线型永磁Halbach阵列7刚性连接在悬浮转向架2的正下方作为其动子；有源零磁通线圈链8与永磁阵列7之间具有机械气隙9。

进一步的，所述零磁通线圈链8由顺轨而铺的零磁通线圈构成，零磁通线圈为“8”字形绕组结构：由右线圈11和左线圈11'两个N匝方形空芯线圈组成，导线沿右线圈空芯顺时针绕N匝后再绕左线圈空芯逆时针绕绕N匝。所有零磁通线圈等距沿着列车运行方向铺设在轨道上，并以三相电机绕组规律进行连接，使零磁通线圈具有驱动功能。

采用本发明的结构，自导向功能的空芯永磁同步电机系统包括铺设在轨道上的有源零磁通线圈以及安装在列车车底的Halbach永磁阵列，当列车以一定速度运行且动子中心线与定子中心线正对重合时，没有导向力产生；一旦列车偏离轨道中心则零磁通线圈中会在激励电流的基础上感应出附加导向电流，进而产生导向力使得列车回到轨道正中。与此同时，导向电流还会导致零磁通线圈与动子作用产生附加悬浮力扰动，并且悬浮力扰动伴随导向力出现。

本发明的目的还在于在上述的自导直线推进构造，为了抑制附加悬浮力，提其悬浮力扰动控制方法，其方法采用的技术方案为：当列车运行于较低速度时，通过实时调整定子轨道线圈链8中的直轴电流I_d，以达到消除列车由于横向偏移带来垂向悬浮力扰动的目的。

本发明的控制方法与常规电机系统有所不同，常规的永磁同步电机为了追求推力最大会将直轴电流I_d控制为0，这样电机本身的激励电流不会与动子之间产生垂向作用力。采用本发明控制方法的驱动控制策略，当电机动子在以较低速度(起浮速度以上)运行过程中与轨道发生偏移，动态调节直轴电流I_d的大小以抵消零磁通线圈中感应电流带来的悬浮力扰动，进而抑制列车的垂向振动。

附图说明

图1为本发明所提出的一种用于磁浮列车系统中具有自导向功能的空芯直线同步电动机的安装示意图；

图2为车载永磁Halbach阵列动子7与构成的定子八字零磁通线圈链8的三维结构示意图；

图3a为有源零磁通线圈的导线连接图；图3b为有源零磁通线圈的等效电路图；图3c为图2中所示零磁通线圈链(长定子)的俯视图，以及三相交流主电路与各个零磁通线圈的连接示意图；

图4a为有源零磁通线圈中没有感应电流，只有激励电流I_p时的电流流向以及动子受力方向示意图；图4b为磁体发生偏移时无源零磁通线圈的感应电流流向以及动子受力方向示意图；图4c为磁体发生偏移时有源零磁通线圈的叠加电流流向以及动子受力方向示意图；

图5为本发明中提出的以最小悬浮力扰动为目标的电机矢量控制系统示意图；

图6为随着车载永磁体偏移轨道中心距离的变化，列车推进系统对列车产生的驱动力，回复力以及悬浮力扰动的变化曲线对照图；图6a为传统Id＝0控制策略，图6b为本发明提出的最小悬浮力扰动控制策略。

图7为实施例所用参数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体操作方法进一步详细说明。

参照附图1和图2所示，本发明中提出的一种具有自导向功能的直线推进系统包括列车车体1、悬浮转向架2、安装在转向架下的独立板式电动悬浮机构3，支撑导向轮4，空芯永磁直线推进系统5，以及混凝土轨道6。其中空芯直线推进系统5由安装在轨道上的有源零磁通线圈链8以及安装在车体正中下方Halbach永磁阵列7组成，零磁通线圈链8和Halbach永磁阵列7之间存在机械气隙9。当列车从零速开始启动时，由安装在悬浮转向架上的支撑轮4支撑列车运行；当列车运行速度达到起浮速度后，支撑轮收起，此时由于板式电动悬浮装置3中安装在转向架上的励磁部分3A与安装在轨道上的反应板部分3B的相互作用力使列车悬浮在轨道6上。

参照附图3a，所示单个”8”字形零磁通线圈由线圈11和11'组成，两个均为N匝(N大于1)方形空芯线圈。线圈导线可整线绕制也可分段绕制，本实施例采用更为方便的分段绕制为例：右线圈11由端口12进入沿顺时针绕至端口13，左线圈11'由端口14进入逆时针绕至端口15，端口12与14为右左线圈的同名端黑点表示。端口12与端口15，端口13与端口16分别通过一匝导线进行连接，再从端口12与端口15处接出激励导线16和17。

结合图3b所示的有源零磁通线圈等效电路图可以看出，线圈11和11'为并联连接，当从端口16中通入激励电流时，且两个线圈中电流流向相同(均为顺时针流动)；如果激励电流从端口14通入和端口15流出，则两个线圈中激励电流反向(均为逆时针流动)。

参照附图3c，有源零磁通线圈顺次整齐排列铺设在轨道上，通过区段逆变器分别为有源零磁通线圈的端口16，17(或者14，15)通入三相激励10，则可使得有源零磁通线圈具有驱动电机的功能。以A相为例，线圈的连接规律参见附图3c：三相逆变器A相+极输出至第一个A+线圈(规定线圈内电流顺时针流动为+方向)的上线圈左侧端口，电流按照图中标示方向流动后从第一个A+线圈上线圈右侧端口输出；输出电流连接至第一个A-线圈的下线圈左侧端口，并从第一个A-线圈下线圈右侧端口输出；从A-线圈输出后继续进入第二个A+线圈的上线圈左侧端口，然后电流的流动重复上述规律直到在长定子区段结束后回到逆变器A相-极。同样，B、C相线圈的连接规律也是如此。结合附图3c可以看到，此规律下三相绕组相序应为(…A+、B-、C+、A-、B+、C-、A+…)。由于本实施例提出的示范例中定子极距与零磁通线圈的极距长度之比优选为3，所以每个零磁通线圈所占空间电角度为60°，6个零磁通线圈对应了一对动子极的长度。

图4为零磁通线圈工作的几种状态。其中图4a为当列车运行在轨道正中，即永磁动子中心线与零磁通线圈中心线重合时，此时零磁通线圈中穿过的磁通量绝对值为0，因此没有感应电流的产生，有源零磁通线圈中的外加激励电流在线圈11和11'中均为

(规定顺时针为正方向)，线圈内电流与永磁动子之间有方向朝前的作用力，也就是说此时零磁通线圈只发挥空芯永磁直线同步电动机的推进功能；4b图所示为永磁动子在以一定速度运行的过程中发生了向右方向的位置偏移，此时假设忽略零磁通线圈的外加激励电流，那么由于永磁体产生的励磁磁场切割地面零磁通线圈的导轨，将产生方向如图4b所示感应电流，右线圈11内电流为I_g，左线圈11'内电流为-I_g，线圈电流与永磁磁场之间将产生方向向左的导向作用力，将车载动子拉回轨道正中；在图4b的基础上考虑有源零磁通线圈的外加激励电流，即图4c所示情况，此时零磁通线圈中的电流方向如图所示，大小则为图4a和图4b所示两种情况的叠加，即右线圈11中电流为

左线圈11'中电流为

在种情况下运行，则有源零磁通线圈既可以产生推进力，同时也可以产生可以使列车导向的对中回复力。

图5所示可视为本发明中用于配套前面提出的具有自导向功能空芯永磁同步推进装置的悬浮力扰动控制方法，或称之为控制策略。当列车在以大于悬浮装置3的起浮速度的前提下运行时，如果列车偏移轨道中心，即出现了图4c所示的运行情况，此时地面零磁通线圈与车载永磁动子之间除了有驱动力以及导向回复力之外，还存在垂向力伴随着感应电流的出现而出现，这个垂向力对于车体而言表现为与悬浮力同向，因此会造成列车的垂向振动。通常情况下永磁同步电动机会采用id＝0控制策略以保证电机的输出推力最大，但是对于本发明中提出的具有导向功能的空芯直线电机而言，为了抑制列车在低速运行时由于列车横向位移而造成的垂向振动，需要在常规的id＝0控制策略增加垂向力控制器环节。

悬浮力扰动控制的工作过程为：永磁直线同步电机的动子处安装相应传感器在列车运行的过程中实时监测车载永磁动子的速度与位置，以及地面三相驱动电流的信号，并将检测得到的信号传给控制器使用。动子的位置信号主要包括运行位置θ_m和动子偏移中心距L_m，其中运行位置θ_m用于控制器坐标变换使用，动子偏移中心距L_m则用于产生给定直轴电流。对于速度-位置控制外环，传感器检测到的运行速度信号V_m与给定速度值V_ref进行对比，差值信号经过速度控制器后得到交轴给定电流I_{q_ref}；传感器检测到的动子偏移中心距L_m则与0进行对比并将差值信号经过垂向力控制器后得到直轴给定电流I_{d_ref}。对于电流控制内环，传感器检测到驱动线圈的三相电流并通过Park变换(abc-dq)将三相电流转换为两相旋转电流实际值I_d、I_q，旋转两相实际电流I_d、I_q分别与外环控制器得到的两相给定电流I_{q_ref}、I_{d_ref}对比，并将差值信号送给交/直轴电流控制器并得到两相旋转电压给定值U_{q_ref}、U_{d_ref}，通过逆Park-Clark变换(dq-abc)后即得到静止两相电压给定值，最后经过空间矢量脉宽调制(SVPWM)后即得到输出给逆变器的PWM开关信号。

通过图5中的悬浮力扰动控制方法，可以得到以下效果：当列车运行在轨道正中时，偏移距离L_m为0，此时电机直轴电流控制为0，前进方向出力最大；一旦列车偏移轨道正中心，即L_m不等于0，此时增加电机的交轴电流，使空芯线圈与永磁定子之间产生吸力抵消由于感应电流带来的悬浮力，以达到最小悬浮力扰动控制的目标。需要注意的是，垂向力控制器的设计可以根据零磁通线圈构成的空芯直线同步电机的结构参数进行设计，通过一系列计算或测试提前获取不同速度、不同偏移距离下应该增加的直轴电流大小，在实际运行中可以通过查表等手段来给定直轴电流i_d的大小。

附图6分别为附图7所示参数对应的直线同步电机在150km/h的运行速度下，偏移范围在[-15mm,15mm]内驱动力，导向力，扰动悬浮力的变化曲线。其中图6a电机采用为传统i_d＝0控制策略，图6b电机采用为图5所示最小悬浮力扰动控制策略。图6中可以看出，采用传统i_d＝0控制的情况下，随着电机偏移轨道中心，推力基本不变，导向力线性增大，且电机具有较大的导向刚度，而扰动悬浮力也会随着偏移距离的增大而增大；如果采用图5描述的控制方法，则随着动子离开轨道中心，悬浮力扰动基本被电机绕组增大的直轴电流i_d抵消，同时由于电机功角的减小(从90°减小到小于90°)，交轴电流同样会减小造成推力减小，但最多减小初始推力(偏移位移为0)的10％。

实践中，实际的直线同步电机使用参数可根据实际工程要求确定，本实施例所用参数如图7所示。定子极距与零磁通线圈的线圈极距长度之比为3为优选。

综上，本发明所述的一种用于磁浮列车系统中具有自导向功能的空芯直线同步电动机及其控制方法可以实现磁浮列车的驱动导向一体化，相比于传统的板式电动悬浮系统采用倾斜反应板导向的方法，本发明提出的直线推进系统在动子正对轨道运行过程中不会产生静态的损耗，效率更高；导向力有着较大的回复刚度，可以更好的约束磁浮列车的横向运动；同时最小悬浮扰动控制方法的采用可以有效减小列车低速运行时的垂向振动。

上述针对示例性实施例的具体描述为参照附图说明的关于本发明的一些相关原理，而本发明的保护范围并不局限于这一种示例性实施例。凡是根据上述描述作出各种可能的替换以及改变的实施例，都被认为属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (2)

1.一种用于电动斥力型磁浮轨道的自导直线推进构造的悬浮力扰动控制方法，所述电动斥力型磁浮轨道的自导直线推进构造包括车体（1），悬浮转向架（2），板式电动斥力式悬浮装置（3），支撑轮（4），混凝土轨道（6），直线推进系统及控制器；所述板式电动斥力式悬浮装置（3）由励磁部分（3A）和反应板部分（3B）组成，其中的励磁部分3A安装在悬浮转向架（2）上，反应板部分（3B）安装在混凝土轨道（6）内；所述直线推进系统为自导向直线推进装置（5）；自导向直线推进装置为空芯直线永磁同步电机，沿混凝土轨道（6）延伸方向预埋若干有源零磁通线圈链（8）作为其定子，直线型永磁Halbach阵列（7）刚性连接在悬浮转向架（2）的正下方作为其动子；有源零磁通线圈链（8）与直线型永磁Halbach阵列（7）之间具有机械气隙（9）；所述有源零磁通线圈链（8）由顺轨而铺的零磁通线圈构成，零磁通线圈为“8”字形绕组结构：由右线圈（11）和左线圈（11'）两个N匝方形空芯线圈组成，导线沿右线圈空芯顺时针绕N匝后再绕左线圈空芯逆时针绕N匝；所有零磁通线圈等距沿着列车运行方向铺设在轨道上，并以三相电机绕组规律进行连接，使零磁通线圈具有驱动功能；其特征在于：

当列车运行于较低速度时，通过实时调整定子轨道的有源零磁通线圈链（8）中的直轴电流I _d ，以达到消除列车由于横向偏移带来垂向悬浮力扰动的目的；

调整的控制手段为：永磁直线同步电机的动子处安装相应传感器在列车运行的过程中实时监测车载永磁动子的速度与位置，以及地面三相驱动电流的信号，并将检测得到的信号传给控制器使用；动子的位置信号包括运行位置θ _m 和动子偏移中心距L _m ，其中运行位置θ _m 用于控制器坐标变换使用，动子偏移中心距L _m 则用于产生给定直轴电流；对于速度-位置控制外环，传感器检测到的运行速度信号V _m 与给定速度值V _ref 进行对比，差值信号经过速度控制器后得到交轴给定电流I _{q_ref} ；传感器检测到的动子偏移中心距L _m 则与0进行对比并将差值信号经过垂向力控制器后得到直轴给定电流I _{d_ref} ；对于电流控制内环，传感器检测到驱动线圈的三相电流并通过Park变换将三相电流转换为两相旋转电流实际值I _d 、I _q ，旋转两相实际电流I _d 、I _q 分别与外环控制器得到的两相给定电流I _{q_ref} 、I _{d_ref} 对比，并将差值信号送给交/直轴电流控制器并得到两相旋转电压给定值U _{q_ref} 、U _{d_ref} ，通过逆Park-Clark变换后即得到静止两相电压给定值，最后经过空间矢量脉宽调制SVPWM后即得到输出给逆变器的PWM开关信号。

2.如权利要求1所述的用于电动斥力型磁浮轨道的自导直线推进构造的悬浮力扰动控制方法，其特征在于，所述垂向力控制器为一优选值数据库，根据零磁通线圈构成的空芯直线同步电机的结构参数进行预先优选设计，将计算或测试提前获取不同速度、不同偏移距离下对应需控制给定直轴电流I _d 大小。

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